JP2020024838A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ナットを保持するナット保持部材の破損を防止すること。【解決手段】本発明に係る半導体装置（１）は、外部導体にネジを介して接続される主端子（３）と、ネジの先端がねじ込まれるナット（６）と、ナットを保持するナット保持部材（５）と、を備える。ナット保持部材は、ナットを収容する凹部（５２）を有する。凹部を形成する周壁部（５３）の一部には、切欠き部（５４）が形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置に関する。
半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が設けられた基板を有し、インバータ装置等に利用されている。
この種の電力用半導体装置は、基板を収容するケース部品が樹脂で形成され、当該ケース部品には外部配線の端子部品をネジで固定するために六角ナットが挿入される（例えば特許文献１参照）。具体的に特許文献１では、ケース部品に六角ナットを挿入するためのナット挿入穴が形成されている。また、ナット挿入穴の周囲には、端子部品を挿入するための端子部品挿入穴が形成されている。
特開２０１５−５６６１４号公報
しかしながら、特許文献１では、ナット挿入穴と端子部品挿入穴との位置関係により、ナット挿入穴を形成する周囲の壁が薄くなることが想定される。このため、ネジを締結する際のナットの回転力に耐えられず、ケース部品（ナット挿入穴の周囲の壁）が破損してしまうおそれがある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ナットを保持するナット保持部材の破損を防止することが可能な半導体装置を提供することを目的の１つとする。
本発明の一態様の半導体装置は、外部導体にネジを介して接続される主端子と、前記ネジの先端がねじ込まれるナットと、前記ナットを保持するナット保持部材と、を備え、前記ナット保持部材は、前記ナットを収容する凹部を有し、前記凹部を形成する周壁部の一部に切欠き部が形成されることを特徴とする。
本発明によれば、ナットを保持するナット保持部材の破損を防止することができる。
半導体装置の一例を示す斜視図である。 比較例に係るナット保持部材の平面図である。 本実施の形態に係るナット保持部材の部分拡大図である。 変形例に係るナット保持部材の部分拡大図である。 他の変形例に係るナット保持部材の平面図である。 他の変形例に係るナット保持部材のバリエーションを示す平面図である。
以下、本発明を適用可能な半導体装置について説明する。図１は、半導体装置の一例を示す斜視図である。なお、以下に示す半導体装置はあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。また、図１において、半導体装置の長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向と定義することにする。また、場合によっては、Ｘ方向を前後方向、Ｙ方向を左右方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、図１の説明の便宜上用いる文言であり、半導体装置の取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。また本明細書において、平面視は、半導体装置の上面をＺ軸の正方向から視た場合を意味する。
図１に示すように、半導体装置１は、複数の半導体素子（不図示）をパッケージングしたものであり、半導体素子を搭載した基板（不図示）をケース部材２内に収容して構成されている。
半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）、炭化けい素（ＳｉＣ）等の半導体基板に形成されている。半導体素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードが用いられている。また、半導体素子として、ＩＧＢＴとＦＷＤを一体化したＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ、逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）−ＩＧＢＴ等が用いられてもよい。
基板は、金属層と絶縁層とを積層した積層基板であり、Ｘ方向に長い平面視矩形状を有している。また、基板の表面には、金属層のパターンにより電子回路が形成されており、当該電子回路には、３つの主端子３及び２つの制御端子４が接続される。また電子回路には半導体素子が搭載される。積層基板は複数の積層基板を含んでよい。
主端子３は、金属板を折り曲げて形成され、Ｘ方向から見て門型形状又はアーチ形状を有している。具体的に主端子３は、基板の表面に対向してＸＹ平面に平行な主面部３０と、主面部３０のＹ方向両端から基板に向かってＺ方向に沿って延びる一対の脚部３１と、を有している。脚部３１の下端が基板表面の電子回路に接続される。
主面部３０の中央には、厚み方向（Ｚ方向）に貫通する貫通孔３２が形成されている。当該貫通孔３２には、バスバー等の外部導体を接続するためのネジ（共に不図示）が挿通される。主端子３は、基板のＹ方向略中央において、基板の長手方向（Ｘ方向（後述するナット保持部材５の挿入方向））に例えば３つ所定の間隔を空けて並んで配置される。なお、主端子３の配置数はこれに限定されず、１つ、２つ、又は４つ以上であってもよい。
制御端子４は、Ｚ方向に延びてＹ方向に並んで配置される一対の長尺体で構成され、例えば金属板によって形成される。制御端子４の下端が基板表面の電子回路に接続される。制御端子４は、基板のＸ方向端部において、例えばＹ方向に２つ並んで配置される。図１では、主端子３よりＸ方向奥方（後方）に２つの制御端子４が配置されている。半導体素子、電子回路、主端子３及び制御端子４は相互に電気的に接続されてインバータ回路を構成してよい。
ケース部材２は、底面側（下方）が開口された直方体型の箱形状を有し、基板の上方を覆うように例えば樹脂材料で形成される。ケース部材２のＸＹ方向の四隅には、座ぐり２０が形成されており、座ぐり２０の底部にはＺ方向に貫通する貫通穴２１が形成されている。当該貫通穴２１は、半導体装置１を取り付けるためのネジ（不図示）の挿通穴である。ケース部材２の底面側開口には金属製のベース板が配置されてよい。ベース板の上方には積層基板が搭載されてよい。
また、図１に示すように、基板にケース部材２が覆い被さった状態においては、主面部３０と制御端子４の上端が外部に露出されている。各端子は、それぞれケース部材２に形成される支持部によって支えられる。具体的にケース部材２は、主端子３を支える主端子支持部２３と、制御端子４を支持する制御端子支持部２４と、を有する。
主端子支持部２３は、一対の脚部３１の上端部分、すなわち主面部３０のＹ方向両端部分を支持するようにケース部材２の上面から突出した形状を有している。図１では、主端子３の位置に応じてＹ方向に対向する一対の主端子支持部２３が、Ｘ方向に所定間隔を空けて３つ形成されている。制御端子支持部２４は、制御端子４の周囲を囲うようにＺ方向に延びる直方体形状を有する。
また、ケース部材２の上面には、主面部３０の下方において、一対の脚部３１の間にＸ方向に延びる溝が形成されている。当該溝は、後述するナット保持部材５を挿入可能にする挿入溝２５を構成する。挿入溝２５は、一対の脚部３１の対向間隔に対応した左右幅（Ｙ方向の幅）を有し、所定の深さでＸ方向に延びている。具体的に挿入溝２５の左右幅は、一対の脚部３１の対向間隔より小さく設定されている。
ナット保持部材５は、複数のナット６を保持するように構成されている。ナット６は、例えば規格品の六角ナットを用いることが可能である。ナット保持部材５は、Ｘ方向に延びる長尺体で構成され、例えば樹脂材料で形成される。ナット保持部材５は、挿入溝２５の左右幅（Ｙ方向の幅）及びＸ方向の長さに対応した左右幅及びＸ方向の長さを有し、各主面部３０に対応してナット６を収容するためのナット収容部５０が形成されている。
具体的にナット収容部５０は、ケース部材２の各主端子支持部２３に対応してＺ方向に膨出する３つの膨出部５１の上面にナット６の形状に対応した平面視六角形の凹部５２を形成して構成される。すなわち、ナット収容部５０は、主面部３０の貫通孔３２の位置に対応してＸ方向に所定間隔を空けて３つ並んで形成されている。
詳細は後述するが、六角形の凹部５２は、ナット６の六角形状を規定する一対の外周面６ａ（対向面６ａ）の延在方向がナット保持部材５の延在方向であるＸ方向に向けられるように形成される。言い換えると、ナット６の六角形状を規定する一対の外周面６ａの対向する方向が、一対の脚部３１の対向する方向と一致している（平行となっている）。また、凹部５２の深さはナット６の厚みと同じ、又はそれ以上であることが好ましい。
各ナット収容部５０にナット６を収容した状態で、ナット保持部材５を挿入溝２５の所定位置に挿入することにより、各主面部３０の貫通孔３２とナット６のネジ穴とのＸ方向及びＹ方向の位置が一致する。すなわち、ナット保持部材５は、各主面部３０と凹部５２に収容されたナット６とがＺ方向で対向する位置まで挿入される。より具体的にナット保持部材５は、凹部５２に収容されたナット６の中心が主面部３０の貫通孔の中心と一致するまで挿入される。そして、外部導体（不図示）を介してネジ（不図示）の先端を貫通孔３２に通してナット６にねじ込むことが可能である。これにより、ネジ止めによって主端子３の主面部３０に外部導体を接続させることが可能になっている。
ところで、上記のように門型形状の主端子３の下方にナット保持部材５を挿入する場合、ナット保持部材５のＹ方向の幅寸法は、一対の脚部３１の対向間隔により制約が生じる。このため、ナット保持部材５の幅寸法内でナット６の形状に対応した凹部５２を形成する場合、凹部５２の周囲の壁の厚さが薄くなる箇所が存在し得る。したがって、ナット６のサイズによっては、ネジの締付トルクに薄肉部分が負けてしまい、ナット保持部材５を破損してしまうことが想定される。
ここで、図２を参照して上記現象を具体的に説明する。図２は、比較例に係るナット保持部材の平面図である。図２Ａは全体の平面図であり、図２Ｂは図２Ａの部分拡大図である。なお、図２では、説明の便宜上、図１に示すナット保持部材と若干の形状の相違があるが、図２はあくまで模式図であり、基本的な機能は図１と同じである。また、既出の構成は、図１と同じ符号を付している。
図２Ａに示すように、比較例に係るナット保持部材５は、Ｘ方向に長手方向を有する長尺体で構成される。ナット収容部としての凹部５２は、長手方向に沿って３つ並んで形成されている。凹部５２は、上記したように平面視六角形状を有し、その中心がナット保持部材５のＹ方向の幅中心に位置している。
また、図２Ｂに示すように、凹部５２は、ナット６の六角形状を規定する一対の外周面６ａの対向する方向が、一対の脚部３１の対向する方向と一致している（平行となっている）。このように、一対の脚部３１の対向間隔内でナット保持部材５の幅寸法を設定し、その幅寸法内でナット６を収容するための凹部５２を形成すると、凹部５２を形成する周壁部５３の一部に薄肉部５３ａが存在する。具体的に薄肉部５３ａは、一方の脚部３１と凹部５２との間に存在する周壁部５３によって構成される。
このように、樹脂成型品のナット保持部材５でナット６を保持する構成とすると、比較例では、ナット６の各外周面６ａが凹部５２の各内周面５２ａ全体に当接した状態でナット６が凹部５２に保持される。この場合、ナット６にネジがねじ込まれる際の締付トルクにより、比較的強度が小さいとされる薄肉部５３ａに応力が集中してしまうことになる。この結果、薄肉部５３ａを起点にナット保持部材５が破損してしまうおそれがある。
そのため、ナット保持部材５の厚みを大きくしたり、高強度の材料を使用することも考えられるが、上記したようにナット保持部材５の幅寸法には制約があり、また材料コストが高くなってしまう要因にもなり得る。また、樹脂成型品に薄肉部５３ａが存在すると、成型時に当該薄肉部５３ａに樹脂が十分に流れ込まず、成形不良の原因ともなり得る。
そこで、本件発明者は、上記の薄肉部５３ａに着目して本発明に想到した。具体的に本実施の形態では、薄肉部５３ａを切り欠いてネジを締め付ける際の応力集中箇所を無くすことにした。ここで、図３を参照して本実施の形態に係るナット保持部材について説明する。図３は、本実施の形態に係るナット保持部材の部分拡大図である。図３Ａはナット保持部材の部分斜視図であり、図３Ｂはその平面図である。図３に示すナット保持部材５は、凹部５２を形成する周壁部５３の一部に切欠き部５４が形成される点でのみ図２と相違する。このため、既出の構成は同一符号で示し、適宜説明を省略する。なお、周壁部５３とは、特に形状は特定されないが、凹部５２を形成するように凹部５２の外周を囲う壁部分全体を表しており、図面上特にその境界を示していない。すなわち、本明細書上において周壁部５３とは、凹部５２の外周を囲う壁に相当する部分を全て含むものとする。また、図３では、説明の便宜上、１つの凹部５２に対応して形成される切欠き部５４のみ示しているが、他の凹部５２にも対応してそれぞれ切欠き部５４が形成されているものとする。
図３Ａに示すように、凹部５２を形成する周壁部５３の一部には、切欠き部５４が形成されている。より具体的に切欠き部５４は、図３Ｂに示すように、一対の脚部３１に対向する周壁部５３に形成されている。切欠き部５４は、脚部３１に対向するナット６の外周面６ａの両角部が当接する凹部５２の内周面５２ａの延長面が周壁部５３（図３Ｂでは紙面右側の周壁部５３）を開口するように形成される。これにより、脚部３１に対向するナット６の１つの外周面６ａがナット保持部材５から外部に露出された状態となる。すなわち、当該外周面６ａは、凹部５２の内周面５２ａに当接していない状態となる。なお、図３において、切欠き部５４は、平面視で内周面の延長面が脚部を構成する等脚台形を有している。
このように、本実施の形態では、ナット保持部材５の幅寸法の制約により薄肉部５３ａ（図２参照）となりうる周壁部５３の一部に切欠き部５４を形成し、意図的にナット６の外周面６ａに薄肉部５３ａを触れさせないようにしている。これにより、薄肉部５３ａに負荷をかけることなく、他の比較的厚い周壁部５３で応力を受けることが可能である。したがって、ネジ締結時に比較的強度の弱い部分に応力集中が発生することを防止できる。そもそも破損し得る薄肉部５３ａが存在しないため、ナット保持部材５の破損自体を防止することが可能である。すなわち、本発明によれば、応力集中により破損する可能性のある薄肉部５３ａを予め切り欠いておくことにより、ネジ締結時の応力集中によるナット保持部材５の破損を未然に防ぐことが可能である。また、薄肉部５３ａがなくなることにより、樹脂の流動性が妨げられず、成形不良を防止することも可能である。
次に、図４を参照して変形例について説明する。図４は、変形例に係るナット保持部材の部分拡大図である。変形例においては、上記実施の形態と相違する部分についてのみ説明し、既出の構成は同一の符号を付して適宜説明を省略する。
図４に示すナット保持部材５には、切欠き部５４が形成された箇所を基準に凹部５２（又はナット６）の軸周り１２０度間隔に位置する凹部５２の内周面５２ａがナット６の外周面６ａに当接しないように、内周面５２ａと外周面６ａとの間に所定の隙間５５が形成されている。すなわち、切欠き部５４を基準に所定の角度間隔に位置するナット６の外周面６ａと、当該外周面６ａに対向する凹部５２の内周面５２ａとの間に隙間５５を設けている。平面視における隙間５５の形状は、内周面５２ａを上底、外周面６ａを下底とする等脚台形を有する。
この構成によれば、切欠き部５４だけでなく隙間５５が設けられる箇所においても、ナット６の外周面６ａが凹部５２の内周面５２ａに当接していない。すなわち、所定の角度間隔（１２０度間隔）でナット６の外周面６ａと凹部５２の内周面５２ａとが接触する箇所を３つ設けることができ、ネジ締結時に周壁部５３が受ける応力を均等に分散させることが可能である。この結果、ナット保持部材５の破損可能性を更に低減することが可能である。
また、本実施の形態では、主端子３が門型形状を有し、ナット保持部材５を長手方向（Ｘ方向）からケース部材２に挿入する構成としたが、この構成に限定されない。例えば、主端子３をＸ方向から見てＬ字形状とし、ナット保持部材５をＹ方向からケース部材２に挿入する構成としてもよい。また、主端子３の形状に限らず、ナット保持部材５の幅寸法によって薄肉部５３ａが存在し得る構成であれば、本発明を適用可能である。
また、本実施の形態では、切欠き部５４が対向する一対の脚部３１のうち、一方側の周壁部５３にのみ形成される構成としたが、この構成に限定されない。切欠き部５４は、他方側にも形成されてよい。また、切欠き部５４は、１つの外周面６ａ全体が外部に露出するように形成される構成としたが、この構成に限定されない。切欠き部５４の形状は適宜変更が可能であり、例えば、切欠き部５４は、応力集箇所に応じて（を考慮して）１つの外周面６ａの一部が外部に露出するように周壁部５３の一部を切り欠くことで形成してもよい。
また、本実施の形態では、ナット６の六角形状を規定する一対の外周面６ａの対向する方向が、一対の脚部３１の対向する方向と一致している構成としたが、この構成に限定されない。例えば、図５に示す変形例のように、ナット６を軸周りに９０度回転させ、ナット６の対角線と一対の脚部３１の対向する方向とが一致するように凹部５２を形成してもよい。この場合、切欠き部５４は、左右両側に形成されることが好ましい。
また、本実施の形態では、切欠き部５４が、平面視で内周面の延長面が脚部を構成する等脚台形を有する構成としたが、この構成に限定されない。切欠き部５４の形状は、適宜変更が可能である。また、図６Ａ、Ｂのような変形例も可能である。図６Ａは、図３Ｂに示す凹部５２を時計回りに所定角度回転させた例であり、図６Ｂは、図３Ｂに示す凹部５２を反時計回りに所定角度回転させた例である。この場合、切欠き部５４の外面形状を規定する内周面５２ａの延長面と、当該延長面に連なる内周面５２ａとは平行であり、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、切欠き部５４は、平面視で等脚台形でなくてもよい。また、周壁部５３のＹ方向の端部において、切欠き部５４が開口する長さは、ナット６の一辺よりも短くてよい。更に、図３Ｂにおいて、例えば、Ｘ方向で対向する一対の延長面が平行となり、切欠き部５４が平面視矩形状に形成されてもよい。
また、本実施の形態では、平面視における隙間５５の形状が、内周面５２ａを上底、外周面６ａを下底とする等脚台形を有する構成としたが、この構成に限定されない。例えば、隙間５５の形状は、平面視矩形状であってもよい。
また、本実施の形態では、主端子３がＸ方向に３つ並んで配置される構成としたが、この構成に限定されない。主端子３の配置数は、複数に限らず単数であってもよく、例えば、１つ、２つ、又は４つ以上であってもよい。また、並ぶ方向もＸ方向に限らず、適宜変更が可能である。
また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。
また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
下記に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に記載の半導体装置は、外部導体にネジを介して接続される主端子と、前記ネジの先端がねじ込まれるナットと、前記ナットを保持するナット保持部材と、を備え、前記ナット保持部材は、前記ナットを収容する凹部を有し、前記凹部を形成する周壁部の一部に切欠き部が形成されることを特徴とする。
上記実施の形態に記載の半導体装置において、前記主端子は、基板に形成される電子回路に接続され、前記基板を収容し、前記主端子の一部を外部に露出させるケース部材を更に備え、前記ケース部材は、前記ナット保持部材を挿入可能な挿入溝を有し、前記ナット保持部材は、前記主端子の一部と前記凹部に収容された前記ナットとが対向する位置まで挿入されることを特徴とする。
上記実施の形態に記載の半導体装置において、前記主端子は、前記基板に対向し、前記ケース部材から外部に露出される主面部と、前記主面部の両端から前記基板に向かって延びる一対の脚部と、を有し、前記主面部には、前記ネジを挿通する貫通孔が形成され、前記挿入溝は、前記一対の脚部の間に形成され、前記ナット保持部材は、前記凹部に収容された前記ナットの中心が前記貫通孔の中心と一致するまで挿入され、前記切欠き部は、前記一対の脚部に対向する前記周壁部に形成されることを特徴とする。
上記実施の形態に記載の半導体装置において、前記主端子は、前記ナット保持部材の挿入方向に並んで複数設けられ、前記凹部は、複数の前記主端子に対応して複数設けられ、前記切欠き部は、各前記凹部に対応してそれぞれ形成されることを特徴とする。
上記実施の形態に記載の半導体装置において、前記ナットは、六角ナットで構成され、前記凹部は、前記ナットの形状に対応した平面視六角形状を有し、前記ナットの六角形状を規定する一対の対向面の対向する方向が、前記一対の脚部の対向する方向と一致していることを特徴とする。
上記実施の形態に記載の半導体装置において、前記凹部は、前記切欠き部を基準に所定の角度間隔に位置するナットの外周面と対向する内周面との間に隙間を有することを特徴とする。
以上説明したように、本発明は、ナットを保持するナット保持部材の破損を防止することができるという効果を有し、特に、半導体装置に有用である。
１ ：半導体装置
２ ：ケース部材
３ ：主端子
４ ：制御端子
５ ：ナット保持部材
６ ：ナット
６ａ ：外周面（対向面）
２１ ：貫通穴
２３ ：主端子支持部
２４ ：制御端子支持部
２５ ：挿入溝
３０ ：主面部
３１ ：脚部
３２ ：貫通孔
５０ ：ナット収容部
５１ ：膨出部
５２ ：凹部
５２ａ ：内周面
５３ ：周壁部
５３ａ ：薄肉部
５４ ：切欠き部
５５ ：隙間

Claims (6)

  1. 外部導体にネジを介して接続される主端子と、
    前記ネジの先端がねじ込まれるナットと、
    前記ナットを保持するナット保持部材と、を備え、
    前記ナット保持部材は、前記ナットを収容する凹部を有し、
    前記凹部を形成する周壁部の一部に切欠き部が形成されることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記主端子は、基板に形成される電子回路に接続され、
    前記基板を収容し、前記主端子の一部を外部に露出させるケース部材を更に備え、
    前記ケース部材は、前記ナット保持部材を挿入可能な挿入溝を有し、
    前記ナット保持部材は、前記主端子の一部と前記凹部に収容された前記ナットとが対向する位置まで挿入されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記主端子は、
    前記基板に対向し、前記ケース部材から外部に露出される主面部と、
    前記主面部の両端から前記基板に向かって延びる一対の脚部と、を有し、
    前記主面部には、前記ネジを挿通する貫通孔が形成され、
    前記挿入溝は、前記一対の脚部の間に形成され、
    前記ナット保持部材は、前記凹部に収容された前記ナットの中心が前記貫通孔の中心と一致するまで挿入され、
    前記切欠き部は、前記一対の脚部に対向する前記周壁部に形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記主端子は、前記ナット保持部材の挿入方向に並んで複数設けられ、
    前記凹部は、複数の前記主端子に対応して複数設けられ、
    前記切欠き部は、各前記凹部に対応してそれぞれ形成されることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記ナットは、六角ナットで構成され、
    前記凹部は、前記ナットの形状に対応した平面視六角形状を有し、前記ナットの六角形状を規定する一対の対向面の対向する方向が、前記一対の脚部の対向する方向と一致していることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記凹部は、前記切欠き部を基準に所定の角度間隔に位置するナットの外周面と対向する内周面との間に隙間を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
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